專利名稱：激光光束質(zhì)量m的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及檢測儀，特別是一種激光光束質(zhì)量M2因子實時檢測儀。
背景技術(shù)：
激光光束質(zhì)量M2因子是描述激光特性的一個重要的技術(shù)指標(biāo)，直接關(guān)系到激光器的應(yīng)用效率。M2因子描述的是實際光束與理想基模高斯光束的差別，它的定義為M2=π4λdwθf]]>其中，dw和θf分別表示實際光束的束腰寬度和遠(yuǎn)場發(fā)散角，4λ/π是理想高斯光束的束腰寬度與遠(yuǎn)場發(fā)散角的乘積。光束質(zhì)量M2因子的測量辦法按原理可分為兩類一類是傅立葉變換法，在光束束腰截面上同時測出光場強度分布和相位分布，再由傅立葉變換得到空間頻譜，由于相位分布的測量比較困難，此方法很少有人采用；另一類比較常用，是基于光束傳播方程的束寬測量法，也是目前ISO標(biāo)準(zhǔn)的推薦方法，利用這類方法測量激光束的光束質(zhì)量目前有很多種手段，但是絕大多數(shù)方法都需要準(zhǔn)確地找到束腰位置，必須進(jìn)行多點測量，因而不能實現(xiàn)實時檢測。利用偏心菲涅耳透鏡組的方法可以實時測量光束質(zhì)量M2因子，但其設(shè)計復(fù)雜，操作繁瑣，同時對不同光束質(zhì)量的激光束需要設(shè)計不同的透鏡，不能由單一的透鏡組完成所有測量。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的在于提供一種激光光束質(zhì)量M2因子實時檢測儀，它應(yīng)能夠方便實時地對激光光束質(zhì)量M2因子進(jìn)行測量，而且結(jié)構(gòu)緊湊。
本實用新型的技術(shù)解決方案如下
一種激光光束質(zhì)量M2因子實時檢測儀，構(gòu)成包括同光路的依次的聚焦透鏡、光柵組、光路調(diào)整器、CCD，該CCD的輸出端通過信號線與計算機相連，所述的聚焦透鏡的焦距為f，直徑為D，所述的光柵組是由兩塊以正交方式緊貼放置的光柵組成的緊湊的光柵分光系統(tǒng)，該光柵分光系統(tǒng)可以將一束激光分成等光強的3×3條光束的光束組，所述的光路調(diào)整器包括由9個反射鏡片組成的鏡片陣列，該鏡片陣列的9個反射鏡片都有對應(yīng)的微調(diào)螺釘，所述的聚焦透鏡的零級衍射光束經(jīng)由光柵組、光路調(diào)整器再到CCD的接受面的距離等于該聚焦透鏡的焦距。
所述的光路調(diào)整器上的中心鏡片的尺寸小于100Z，外沿鏡片的尺寸大于200Z，式中Z＝f2λ/πD2，λ為激光波長。
所述的光柵組到光路調(diào)整器的距離為200Z/θ，式中θ是光束組中各個光束的偏角。所述的計算機具有視頻采集卡和求得激光光束質(zhì)量M2因子的數(shù)據(jù)處理程序。
本實用新型的優(yōu)點是1、適用于不同波長和光束質(zhì)量的激光束的測量。
2、使用方便靈活，減少了實際操作的復(fù)雜性。
3、結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，構(gòu)造簡單、制造方便。


圖1為本實用新型激光光束質(zhì)量因子實時檢測儀的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本實用新型的光路調(diào)整器的結(jié)構(gòu)正視示意圖。
圖3為本實用新型的光路調(diào)整器的結(jié)構(gòu)左視示意圖。
圖4為本實用新型實時檢測儀中數(shù)據(jù)處理程序流程簡圖。
圖5為本實用新型實時檢測儀中，CCD接受面上的光斑陣列實例圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖和實施例對本實用新型作進(jìn)一步說明，但不應(yīng)以此限制本實用新型的保護(hù)范圍。
先請參閱圖1，圖1為本實用新型激光光束質(zhì)量因子實時檢測儀的結(jié)構(gòu)示意圖。由圖可見，本實用新型激光光束質(zhì)量因子實時檢測儀的構(gòu)成是在激光器10發(fā)出的待測激光束1的前進(jìn)方向同光路地依次設(shè)置的聚焦透鏡2、光柵組3、光路調(diào)整器5、CCD7，該CCD7的輸出端通過信號線11與計算機12相連，所述的聚焦透鏡2的焦距為f，直徑為D，所述的光柵組3是由兩個以正交方式緊貼放置的光柵組成的緊湊的光柵分光系統(tǒng)，該光柵分光系統(tǒng)可以將一束激光分成等光強的3×3條光束的光束組4，所述的光路調(diào)整器5是由9塊反射鏡片511、512……519組成的鏡片陣列51，如圖2所示。該鏡片陣列51的9塊反射鏡片511、512……519都有相應(yīng)的微調(diào)螺釘52，該光路調(diào)整器5的各個反射鏡片511、512……519均可以通過微調(diào)螺釘52調(diào)節(jié)鏡片陣列51中各個鏡片的角度，以調(diào)整光束4中相應(yīng)光束在CCD7的接收面6上的位置，使得9條光束在CCD7的接受面6上形成的光斑既不互相重疊，又可以充滿整個CCD接受面，用以保證9個光斑覆蓋的范圍處在激光束的2倍瑞利長度(Rayleigh range)之內(nèi)，實現(xiàn)高精度的測量。所述的聚焦透鏡2的零級衍射光束經(jīng)由光柵組3、光路調(diào)整器5再到CCD7的接受面6的距離等于該聚焦透鏡2的焦距f。
所述的光路調(diào)整器5上的中心鏡片515的尺寸小于100Z，外沿鏡片511、512、……516、517……519的尺寸大于200Z，式中Z＝f2λ/πD2，λ為激光波長。所述的光柵組3到光路調(diào)整器5的距離為200Z/θ。所述的計算機12具有視頻采集卡和計算待測激光光束質(zhì)量M2因子的數(shù)據(jù)處理程序。
本實用新型裝置的工作情況如下激光器10發(fā)出的激光束1經(jīng)過聚焦透鏡2聚焦，該聚焦透鏡2的焦距為f，透鏡的直徑為D，通過兩個以正交方式緊貼放置的光柵組3，該光柵組3共同置于一個固定件上，形成一個緊湊的光柵分光系統(tǒng)。該光柵分光系統(tǒng)可以將一束激光分成等光強的3×3條光束，形成光束組4，光束組4中各個光束的偏角為θ。該光束組4中的9條光束經(jīng)過光路調(diào)整器5(圖2所示)的各反射鏡片511、512……519均可以通過各自的微調(diào)螺釘52調(diào)節(jié)鏡片陣列51中各個鏡片的角度，以調(diào)整光束4中相應(yīng)光束在CCD7的接收面6上的位置，使得9條光束在CCD7的接受面6上形成的光斑既不互相重疊，又可以充滿整個CCD接受面，實現(xiàn)高精度的測量。光路調(diào)整器5上的鏡片的尺寸由公式Z＝f2λ/πD2決定，其中λ為激光波長，中心鏡片的尺寸小于100Z，外沿鏡片的尺寸大于200Z，用以保證9個光斑覆蓋的范圍處在激光束的2倍瑞利長度(Rayleigh range)之內(nèi)。光柵組3到光路調(diào)整器5的距離約為200Z/θ。零級衍射光束由透鏡2經(jīng)由光柵組3和光路調(diào)整器5，再到CCD7的接受面6的距離，等于透鏡的焦距。最后CCD7的接受面6接收的信號經(jīng)信號線11輸入計算機12，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。
數(shù)據(jù)處理的流程如圖3所示幀讀取子程序把經(jīng)由視頻采集卡得到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成包含3×3九個光斑的灰度圖，如圖4所示。很多激光器的輸出光并不是圓對稱的，因此需要對光束橫截面上互相垂直的兩個方向分別進(jìn)行測量，設(shè)光束沿著直角坐標(biāo)系中的z軸傳播，橫截面位于x-y平面內(nèi)。求解一階矩的子程序?qū)Π鱾€光斑的九個光斑的灰度圖進(jìn)行一階矩求解，其物理意義是求解光斑圖中光強分布的重心。此處光束橫截面x、y方向上的光強分布函數(shù)一階矩的定義為
x‾=∫∫xI(x,y,z)dxdy∫∫I(x,y,z)dxdy]]>y‾=∫∫yI(x,y,z)dxdy∫∫I(x,y,z)dxdy]]>(2)其中I(x，y，z)為(x，y，z)處的光強函數(shù)值，x為光束橫截面x方向上歸一化光強分布函數(shù)的一階矩，y為光束橫截面y方向上歸一化光強分布函數(shù)的一階矩。因此，通過求一階矩子程序的計算可以得到光斑灰度圖的光強度重心(x，y)。在位置z處，光束橫截面x方向上的光強分布函數(shù)的二階矩定義為σx2(z)=∫∫(x-x‾)2I(x,y,z)dxdy∫∫I(x,y,z)dxdy]]>σy2(z)=∫∫(y-y‾)2I(x,y,z)dxdy∫∫I(x,y,z)dxdy]]>(3)其中I(x，y，z)為(x，y，z)處的光強函數(shù)值，σx2(z)為光束橫截面x方向上歸一化光強分布函數(shù)的二階矩，σy2(z)為光束橫截面y方向上歸一化光強分布函數(shù)的二階矩。而基于光強分布二階矩的激光束寬表示為Dx(z)＝4σx(z)Dy(z)＝4σy(z)(4)其中Dx(z)為x方向上的光斑束寬，Dy(z)為y方向上的光斑束寬。因此，求二階矩子程序把由求一階矩子程序所得到的光強度重心作為參數(shù)可以先求得光斑的二階矩，進(jìn)而利用式(4)求得每個光斑的束寬；因為激光光束的各個位置上的光斑半徑隨著坐標(biāo)z按雙曲線的規(guī)律而擴展，因此曲線擬合子程序?qū)@總共九個束寬進(jìn)行擬合求解，得出待測激光束的雙曲線界面，其式如下Dx2=Ax+Bxz+Cxz2]]>Dy2=Ay+Byz+Cyz2]]>(5)
通過上式的各個系數(shù)可以由下面的公式得到光束遠(yuǎn)場發(fā)散角、光束束腰位置和束腰寬度z0x=-Bx2Cx,z0y=-By2Cy]]>dωx=Ax-Bx2Cx,dωy=Ay-By2Cy]]>(6)其中，z0x、z0y分別表示x、y方向上的光束束腰位置，dωx、dωy分別表示x、y方向上的光束束腰大小。最終由式(1)求出待測光束的M2因子，其中，校正因子事先測得，由每束光在CCD探測面上的入射角度決定。光束質(zhì)量N2因子的實際測量速度主要取決于CCD相機和數(shù)據(jù)采集卡的采樣率，本檢測儀中使用的是120幀/秒的數(shù)據(jù)采集卡，因此程序?qū)γ恳粠獍哧嚵袌D進(jìn)行求解，最后將結(jié)果記錄并顯示。
對于不同波長的激光束和不同光束質(zhì)量的激光束，只需調(diào)節(jié)光路調(diào)整器(5)，滿足CCD(7)的接受面(6)上的光斑分布既不互相重疊，又可以充滿整個CCD(7)的接受面(6)的要求，即可對所有激光束進(jìn)行測量。
在這里舉一個測量實例如圖1所示，He-Ne激光器10的輸出光1，波長632.8nm，經(jīng)高質(zhì)量聚焦透鏡2聚焦，該聚焦透鏡為雙凸透鏡，焦距f＝300mm，透鏡直徑D＝25mm，激光束1經(jīng)過聚焦透鏡2后，到達(dá)光柵組3，光柵組3距離聚焦透鏡2為50mm，光柵組3由線數(shù)為600mm-1的兩個蝕刻光柵緊貼正交放置，利用光柵組3的(-1，0，1)三級衍射，激光束1經(jīng)過光柵組3后被分成3×3共9條光束的光束組4。光路調(diào)整器5由9個反射鏡片組成的陣列構(gòu)成，如圖2所示，該光路調(diào)整器的5各個反射鏡片51均可以通過微調(diào)螺釘52調(diào)節(jié)鏡片陣列中各個鏡片的角度，以調(diào)整光束中相應(yīng)光束在CCD7的接收面6上的位置，使得9條光束在CCD7的接受面6上形成的光斑既不互相重疊，又可以充滿整個CCD7接受面6，實現(xiàn)高精度的測量。圖4為實驗中經(jīng)過除噪后的得到的3×3光斑矩陣圖，從右到左，從上到下，每個光斑的依次編號為1～9。
由于很多激光器的輸出光并不是圓對稱的，因此需要對光束橫截面上互相垂直的兩個方向上分別進(jìn)行測量。設(shè)光束沿著直角坐標(biāo)系中的z軸傳播，橫截面位于x-y平面內(nèi)。
光束組4經(jīng)過光路調(diào)整器5投射到CCD7接受面6上，光束與接受面6的法線存在夾角，該實例中光束組4與接受面6的法線之間的夾角大小如表一所示

表一其中θx、θy分別表示夾角在x、y分量上的弧度值，光束編號與CCD7上的光斑編號相對應(yīng)。
由于光線的斜入射，光線射到CCD7相機上時，光斑被額外放大，由此產(chǎn)生的光斑束寬放大率Ax、Ay與傾角θx、θy之間存在關(guān)系為Ax=1cosθx]]>Ay=1cosθy]]>(7)將實例中CCD7的接受面6上每束入射光的傾角代入式(7)，得到所對應(yīng)的放大率修正值如表二所示

表二其中Ax、Ay分別表示光斑束寬在x、y方向上的放大率分量。對于同一次測量，放大率修正值為不變量。
利用計算機程序?qū)γ恳粠獍哧嚵袌D4中的各個光斑子圖進(jìn)行求解，得到初始的光斑寬度，然后對應(yīng)除以表二中的放大率修正值，得到修正后的光斑大小，最后結(jié)合各個光斑的位置z擬合求解出M2因子。程序?qū)ζ渲幸粠獍哧嚵袌D計算得到的示例數(shù)據(jù)為在x方向上，束腰寬度為0.4256mm，遠(yuǎn)場發(fā)散角為2.2mrad，Mx2=1.1622;]]>在y方向上，束腰寬度為0.4763mm，遠(yuǎn)場發(fā)散角為1.8mrad，Mx2=1.0641.]]>以上數(shù)據(jù)的有效位數(shù)均為程序計算所得。
權(quán)利要求1.一種激光光束質(zhì)量M2因子實時檢測儀，其特征在于它包括依次的同光路的聚焦透鏡(2)、光柵組(3)、光路調(diào)整器(5)、CCD(7)，該CCD(7)的輸出端通過信號線(11)與計算機(12)相連，所述的聚焦透鏡(2)的焦距為f，直徑為D，所述的光柵組(3)是由兩個以正交方式緊貼放置的光柵組成的緊湊的光柵分光系統(tǒng)，該光柵分光系統(tǒng)可以將一束激光分成等光強的3×3條光束的光束組(4)，所述的光路調(diào)整器(5)包括由9塊反射鏡片(511、512……519)組成的鏡片陣列(51)，該鏡片陣列(51)的9塊反射鏡片(511、512……519)都有對應(yīng)的微調(diào)螺釘(52)，所述的聚焦透鏡(2)的零級衍射光束經(jīng)由光柵組(3)、光路調(diào)整器(5)再到CCD(7)的接受面(6)的距離等于該聚焦透鏡(2)的焦距。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光光束質(zhì)量M2因子實時檢測儀，其特征在于所述的光路調(diào)整器(5)上的中心鏡片(515)的尺寸小于100Z，外沿鏡片(511、512、……516、517……519)的尺寸大于200Z，式中Z＝f2λ/πD2，λ為激光波長。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光光束質(zhì)量M2因子實時檢測儀，其特征在于所述的光柵組(3)到光路調(diào)整器(5)的距離為200Z/θ，式中θ是光束組(4)中各個光束的偏角。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光光束質(zhì)量M2因子實時檢測儀，其特征在于所述的計算機(12)是具有視頻采集卡的計算機。
專利摘要一種激光光束質(zhì)量M
文檔編號G01J1/00GK2890863SQ20052004536
公開日2007年4月18日 申請日期2005年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月28日
發(fā)明者房滔, 葉訢, 徐劍秋 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所